頻譜分析儀調(diào)幅信號測量分析

一、概述

隨著科技的不斷發(fā)展，無論在航天、航空、航海、通訊等方面都離不開對信號頻譜的分析。頻譜分析儀主要用于頻譜分析，也可測量頻率、電平、衰減、調(diào)制、失真、抖動等，還廣泛應(yīng)用于通訊、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對抗、空間技術(shù)、衛(wèi)星地面站、頻率管理、信號監(jiān)測、EMI診斷、E M C測量等方面，是發(fā)揮軍用電子元器件、軍用整機(jī)系統(tǒng)等部門科研、生產(chǎn)、測試、試驗、計量的必備儀器。

二、頻譜分析儀的組成及工作原理

圖1所示為掃頻調(diào)諧超外差頻譜分析儀組成框圖。輸入信號經(jīng)衰減器以限制信號幅度，經(jīng)低通輸入濾波器濾除不需的頻率，然后經(jīng)混頻器與本振(LO)信號混頻將輸入信號轉(zhuǎn)換到中頻(IF)。LO的頻率由掃頻發(fā)生器控制。隨著LO頻率的改變，混頻器的輸出信號(它包括兩個原始信號，它們的和、差及諧波，)由分辨力帶寬濾波器濾出本振比輸入信號高的中頻，并以對數(shù)標(biāo)度放大或壓縮。然后用檢波器對通過IF濾波器的信號進(jìn)行整流，從而得到驅(qū)動顯示垂直部分的直流電壓。隨著掃頻發(fā)生器掃過某一頻率范圍，屏幕上就會畫出一條跡線。該跡線示出了輸入信號在所顯示頻率范圍內(nèi)的頻率成分。

三、頻譜儀各部分作用及顯示信號分析

輸入衰減器：保證頻譜儀在寬頻范圍內(nèi)保持良好匹配特性，以減小失配誤差;保護(hù)混頻器及其它中頻處理電路，防止部件損壞和產(chǎn)生過大的非線性失真。

混頻器：完成信號的頻譜搬移，將不同頻率輸入信號變換到相應(yīng)中頻。在低頻段(<3GHz)利用高混頻和低通濾波器抑制鏡像干擾;在高頻段(>3GHz)利用帶通跟蹤濾波器抑制鏡像干擾。

本振(LO)：它是一個壓控振蕩器，其頻率是受掃頻發(fā)生器控制的。其頻率穩(wěn)定度鎖相于參考源。

掃頻發(fā)生器：除了控制本振頻率外，它也能控制水平偏轉(zhuǎn)顯示，鋸齒波掃描使頻譜儀屏幕上從左到右顯示信號，然后重復(fù)這個掃描不斷更新跡線。掃頻寬度(Span)是從左fstart到右fstop10格的頻率差，例如：Span=1MHz,則100kHz/div.

中頻放大器：其增益和衰減器設(shè)置值連動工作，即當(dāng)輸入衰減10dB時，則中頻增益同時增加10dB,使輸入信號電平保持不變。屏幕頂格線參考電平間接設(shè)置中頻增益值。當(dāng)參考電平↑(或↓)10dB,則增益↓(或↑)使信號↓移(或↑移)10dB,即改變信號顯示位置，但信號幅度保持不變。當(dāng)輸入衰減增加10dB時，信噪比減小10dB.這是因為輸入衰減在混頻器之前，只對信號電平進(jìn)行衰減，而噪聲是混頻以后產(chǎn)生的，為保證輸入信號電平不變，混頻后的信號要相應(yīng)地放大10dB,這樣噪聲也就跟著相應(yīng)地放大，即噪聲電平增加10dB.

中頻濾波器：也稱分辨力帶寬濾波器，用來分辨不同頻率的信號。它只允許本振信號減去輸入信號的差頻等于中頻時，才能通過中頻濾波器，最后在屏幕上顯示。其它干擾信號將被抑制掉。

中頻濾波器的3dB帶寬也稱作分辨力帶寬(RBW)。之所以在頻譜儀上信號不可能顯示為無線細(xì)的線，而是有一定的寬度，是因為當(dāng)調(diào)諧通過信號時，其形狀是頻譜儀自身分辨帶寬(IF濾波器)形狀的顯示。當(dāng)改變RBW時，就改變了顯示響應(yīng)的寬度。

RBW越小，其頻率分辨率越高。RBW減小10倍，則減小10倍的噪聲能量到達(dá)檢波器，并且顯示的平均噪聲電平將減小10dB,反之相反。噪聲電平變化ΔdB=10log(RBWnew/RBWold)=10log(1kHz/10kHz)=-10dB.

檢波器：它將輸入信號功率轉(zhuǎn)換為輸出視頻電壓，該電壓值對應(yīng)輸入信號功率。當(dāng)頻譜分析儀掃頻寬度Span=0時，包絡(luò)檢波器將對輸入信號進(jìn)行解調(diào)，作為工作在中心頻率(CF)，帶寬為RBW的接收機(jī)(時域方式)，顯示信號包絡(luò)波形。

視頻濾波器：是平滑噪聲顯示的。

它是對檢波器輸出視頻信號進(jìn)行低通濾波平均處理來平滑顯示的。減小視頻帶寬(VBW)，可對頻譜顯示中的噪聲抖動進(jìn)行平滑，從而減小顯示抖動的范圍。這樣有利頻譜儀發(fā)現(xiàn)淹沒在噪聲中的小功率連續(xù)波(CW)信號，還可提高測量的重復(fù)性。

顯示：等效于調(diào)幅收音機(jī)中的揚(yáng)聲器。我們看到的每個頻率的幅度正是我們調(diào)諧調(diào)幅收音機(jī)時所聽到的每個頻率的幅度，信號在頻域上作為一個旋轉(zhuǎn)矢量顯示，矢量的長度=正弦波的峰值幅度，矢量在其頻率軸上的位置=信號頻率。

四、調(diào)幅信號測量分析

調(diào)幅波的特點是載波振幅的包絡(luò)隨調(diào)制信號而變化，其載波頻率fC不變。調(diào)幅信號用下式表示為U(t)=AC[1+macos(2πfmt)]

cos(2πfct)(4-1)。式中Ac=決定總信號幅度的常數(shù);m a =調(diào)幅深度( 0≤m a≤1 );cos(2πfmt)=歸一化調(diào)制信號，fm=調(diào)制頻率;AC[1+macos(2πfmt)]決定載波包絡(luò)的幅度。fc=載波頻率。在時域上，具有正弦幅度調(diào)制的載波的波形如圖3所示。信號包絡(luò)變化就是調(diào)制信號，這樣對包絡(luò)波形的分析可反映調(diào)幅調(diào)制參數(shù)。波形包絡(luò)的最小值和最大值稱為Umin和Umax.

調(diào)幅系數(shù)m a可以從這兩個參數(shù)算出。當(dāng)調(diào)制正弦波處于它的最大正、負(fù)值即±1時，將出現(xiàn)最大包絡(luò)電壓Umax=1+ma;和最小包絡(luò)電壓Umin=1-ma.求得調(diào)幅系數(shù)ma=(Umax-Umin)/(Umax+Umin)(4-2)式，或ma=(1-Umin/Umax)/(1+Umin/Umax)(4-3)式。將(4-1)式展開得U(t)=Accos(2πfct)+maAc/2[cos2π(fc+fm)t+cos2π(fc-fm)t](4-4)式。由此可知，在頻域上，調(diào)幅信號U(t)由幅度為Ac的載波和兩個邊帶組成;一個處在fc+fm,另一個處在fc-fm,兩者的幅度均為maAc/2,頻譜如圖2所示。調(diào)制頻率fm是載波與其中一個邊帶的頻率差(邊帶相對載波呈對稱)。幅度差對應(yīng)于調(diào)幅系數(shù)ma.即相對于載波的邊帶幅度用dB表示為dBc=20log(ma/2)，則ma=2×10dBc/20.

五、調(diào)幅信號測量實例

頻譜分析儀可用來在頻域和時域中表征調(diào)幅信號?？梢詼y量的參數(shù)有載波幅度和頻率、調(diào)制頻率以及調(diào)幅系數(shù)。

設(shè)置信號源輸出載波頻率fc=400MHz,載波幅度0dBm;調(diào)制頻率fm=100kHz(周期T=10us)，調(diào)幅系數(shù)ma=50%.將信號源輸出接至頻譜儀輸入測量調(diào)幅信號。頻譜儀設(shè)置如下：

(1)按【復(fù)位】;(2)【頻率】、[中心頻率]、400[MHz];(3)【幅度】、[參考電平]、0[dBm];(4)【掃頻寬度】、[頻寬]、1 [ M H z ];調(diào)幅信號頻域特性為( 5 )【峰值搜索】、標(biāo)識載波信號;( 6 )【頻標(biāo)】、[Δ頻標(biāo)]、將標(biāo)識移至調(diào)制邊帶頻率位置處，即可測得頻率差Δf = f m= 1 0 0 k H z,邊帶相對于載波的幅度差dBc=-12.04dB,可以求出調(diào)幅系數(shù)ma=2×10dBc/20=2×10-12.04/20=50%.調(diào)幅信號時域特性為(7)按【掃頻寬度】、[頻寬：零頻寬];(8)【帶寬】、[RBW:手動]、3[MHz];[VBW:手動]、3[MHz];( 9 )【幅度】、[線性]、[參考電平]、[↑][↓];調(diào)整參考電平使信號位于顯示中心位置。(10)【掃描】、[掃描時間：

手動]、1 0 0 [ u s ];( 1 1 )【觸發(fā)】、[視頻]、[↑][↓]調(diào)整觸發(fā)電平，使信號穩(wěn)定顯示。(12)【頻標(biāo)】、[常規(guī)頻標(biāo)],測量包絡(luò)峰值、[Δ頻標(biāo)]開啟相對測量，測量包絡(luò)峰-峰值。將標(biāo)識移至相鄰峰-峰值，則可測得調(diào)制信號周期T=10us,則f m= 1 / T = 1 0 0 k H z.將標(biāo)識移至相鄰峰值-最小值，即可測得線性幅度比Umin/Umax=0.333,代入(4-3)式可以求出調(diào)幅系數(shù)ma=(1-0.333)/(1+0.333)=1/2=50%.

還可從圖3 時域調(diào)幅波中可知波形包絡(luò)Umax=600mV,Umim=200mV,將其代入(4-2)式，得ma=(600-200)/(600+200)=1/2=50%.

六、結(jié)語

頻譜儀可利用頻域和時域兩種方式測量調(diào)幅信號。通過講述頻譜分析儀的工作原理和測量信號分析，可正確理解、使用、操作和應(yīng)用頻譜儀。由于篇幅所限，僅對調(diào)幅信號進(jìn)行了測量分析，頻譜儀還可以對諧波失真、三階交調(diào)、激勵響應(yīng)、相位噪聲等多種類型的信號進(jìn)行頻率、功率、帶寬、調(diào)制等參數(shù)測量分析。